Процесс «зарождения» молнии уже много лет возглавляет список десяти основных нерешенных проблем физики атмосферного электричества. Известно, что в грозовых облаках в результате столкновений заряженных частиц жидкой и твердой воды периодически возникают недолгоживущие холодные разряды — стримеры. Сами по себе они быстро распадаются, не превращаясь в молнию. Однако при некоторых условиях стримерные системы могут дать начало самоподдерживающемуся лидеру молнии. Лидер — это горячий плазменный канал, который формируется за счет стримеров и образует многокилометровый проводящий каркас молнии. Однако до сих пор не понятно, каким образом в облаке происходит переход от стримеров к лидеру и, соответственно, как формируется молниевый канал.
Ученые из Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) смоделировали процесс образования «зародыша» молнии на двух наиболее типичных для этого высотах — на шести и девяти километрах. «Зародышем» молнии исследователи назвали плазменную структуру, нагревающуюся за счет токов поляризации, протекающих по разрядным каналам в электрическом поле облака и превращающуюся в многокилометровый канал, который мы видим во время грозы.
Авторы разработали трехмерную численную модель процесса инициации молнии, основными параметрами которой были высота над уровнем моря, напряженность электрического поля облака и частота появления новых стримеров. В рамках моделирования физики воспроизвели процесс перехода от нестабильных стримерных систем к горячему самоподдерживающемуся лидеру молнии.
Модельные «зародыши» молнии (выделены оранжевым цветом), возникающие при различных напряженностях электрического поля грозового облака на высотах 6 и 9 километров. Источник: Артем Сысоев
Авторам удалось выяснить детали этого превращения: оказалось, что молния зарождается в результате взаимодействия множества одновременно существующих разрядных (стримерных) каналов. Даже в слабых электрических полях, характерных для грозовых облаков, эти каналы могут сливаться в протяженные проводящие кластеры. Когда такой кластер достигает критической длины (несколько десятков метров), он становится «зародышем» молнии — структурой, способной к самостоятельному дальнейшему развитию за счет высокой степени поляризации.
При этом должны выполняться два условия. Во-первых, отдельные стримерные системы, случайным образом возникающие достаточно близко друг к другу, должны объединиться. Поскольку характерное время их жизни очень короткое — доли миллисекунды, — для их слияния необходимо, чтобы они появились не только рядом друг с другом, но и практически одновременно. Интересно, что на больших высотах, где воздух сильно разрежен, для образования молнии требуется гораздо более высокая концентрация плазменных каналов.
Примеры «зародышей» молний, образовавшихся на высотах 6 (нижняя панель) и 9 (верхняя панель) километров, а также распределения электрического потенциала (изолинии) и электрического поля (стрелки). Источник: Артем Сысоев
Во-вторых, стримерные каналы могут расти, а это становится возможным только при относительно большой напряженности электрического поля, которая возникает в ограниченных (локальных) зонах как результат предшествующей разрядной активности.
Авторы подчеркивают, что промоделированный процесс возможен в условиях типичного грозового облака и, в отличие от других гипотез, не требует выполнения каких-либо экстраординарных условий, таких как нереалистично большие напряженности внутриоблачного электрического поля или наличие высокоэнергичных космических частиц, ионизирующих облачную среду. Это выгодно отличает предложенный механизм от альтернативных подходов.
«Молниевые разряды нередко приводят к травмам и гибели людей, пожарам, аварийным отключениям электричества, а иногда и к крупным техногенным катастрофам. Экономический ущерб молниевых разрядов продолжает расти из-за широкого распространения слаботочной микроэлектроники и в связи с тенденцией к цифровизации человеческой деятельности. Результаты нашей работы, улучшающие понимание процесса инициации молниевых разрядов, в перспективе могут быть полезны для усовершенствования существующих средств защиты от молний», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Артем Сысоев, научный сотрудник лаборатории нелинейной физики природных процессов ИПФ РАН.
